Бесколлекторные двигатели (что? как? почему?)
Бесколлекторные двигатели (что? как? почему?)
Автор: Arthur Koral
RC Heli Magazine, Выпуск 28 (Октябрь 2008)
Оригинальный текст: www.rchelimag.com/pages/howto.php?howto=28&page=1
Перевод: Андрей Пащенко
Перевод и публикация выполнены с разрешения редакции журнала RC Heli Magazine
Бесколлекторные двигатели произвели революцию во многих областях – начиная с гибридных автомобилей и заканчивая радиоуправляемыми вертолетами. Бесколлекторные двигатели имеют КПД (коэффициент полезного действия) около 93% и развивают небывалую мощность. В этом выпуске мы попытаемся вникнуть в физические аспекты бесколлекторных двигателей и понять, как работает бесколлекторный двигатель. Возможно, многих из вас удивлял принцип работы электронного контролера скорости (ЭКС). А что такое тайминг?
Как контролируется скорость? Что означает Kv? Мы попытаемся дать ответ на эти и другие вопросы.
Электрические моторы – Все о магнитах
Электрические моторы работают благодаря магнитному полю. В электромоторах используются два типа магнитов, называемых постоянными и электромагнитами, которые притягиваются и отталкиваются друг друга. Постоянный магнит, как следует из его названия, образует магнитное поле постоянно. Электромагнит создает магнитное поле только при подаче электрического тока на его обмотки. У каждого магнита есть два полюса: южный (положительный) и северный (отрицательный). Противоположные полюса притягиваются друг к другу, одноименные – отталкиваются.
Магниты в моторе расположены таким образом, что бы благодаря притяжению и отталкиванию одного магнита от другого приводился во вращение вал двигателя. Для поддержания вращения магнитное поле, по крайней мере, одной группы магнитов, должно вращаться вместе с мотором. Вращение магнитного поля – это основа. Существует два способа создания вращающегося магнитного пола в электрических моторах: электронно (бесколлекторные двигатели) или механически (коллекторные двигатели). В коллекторных двигателях магнитное поле изменяется механически с помощью якоря и щеток, скользящих по коллектору. При этом происходит циклическое изменение тока, протекающего через электромагнитные кольца, с обратного на прямой и наоборот, благодаря чему направление магнитного поля изменяется каждый раз при смене направления тока.
Коллекторные моторы имеют преимущество, в виде возможности контроля скорости вращения с помощью простейшего переменного резистора. Недостатками коллекторных моторов являются относительно низкий КПД и необходимость регулярного обслуживания из-за трения и износа щеток.
В бесколллекторных двигателях изменение магнитного поля происходит с помощью электронного контролера скорости (ЭКС; ESC). Постоянный магнит, закрепленный на вращающемся роторе (in-runner), или на вращающемся колоколе (out-runner), притягивается каждую фазу, что приводит к его вращению вместе с его магнитным полем.
Все о тайминге
Для того, что бы вращающееся магнитное поле было в фазе с корректным магнитом на роторе, электронный контролер скорости должен определить положение и скорость вращения ротора. Наиболее распространены два метода получения этих данных. Один метод основан на использовании оптических или магнитных датчиков (датчики Холла), подобно тем, которые используются в контролерах оборотов нитродвигателей (гувернерах). В другом методе (без сенсоров) для определения положения ротора и скорости его вращения проводят регистрацию обратных электромагнитных полей (back electromagnetic field pulses - EMF) генерируемых во время каждой из трех фаз. Оба метода имеют свои преимущества и недостатки. Мы рассмотрим второй метод более подробно, так как он получил наибольшее распространение в бесколлекторных двигателях, устанавливаемых на моделях вертолетов.
Обратные электромагнитные поля – Разницы между моторами и генераторами не существует.
Перед объяснением принципа работы бесколлекторных моторов без датчиков, нам необходимо обсудить обратные электромагнитные поля. Во время вращения ротора якоря с обмотками проходят рядом с магнитами, что приводит к появлению электрического тока в обмотках, подобно работе электрогенератора. В действительности, электромоторы это генераторы только наоборот. В обмотках без напряжения, вращающихся рядом с постоянными магнитами, генерируется электрический ток. Электронный контролер скорости регистрирует подаваемое на обмотку напряжение и возникающие обратные электромагнитные импульсы в процессе вращения.
Контролеры скорости без датчиков работают на основе расчета времени в каждой фазе между импульсом напряжения питания и импульса обратного электромагнитного поля. «Нулевой отсчет» - это точка начала отсчета и определяется, как отсутствие напряжения (0 В) на обмотке. Это средняя точка между подачей импульса напряжения питания и импульсом обратного электромагнитного поля. В этой точке, электронный контролер скорости точно знает положение каждого магнита и использует эту информацию для определения фазы и куда подать следующий импульс напряжения питания.
Контроль скорости – по частоте или напряжению; вот в чем вопрос.
Если необходимо увеличить скорость движения магнитов, то нужно просто увеличить силу магнитного поля. Увеличивая продолжительность каждого импульса (широтно-импульсная модуляция) магнитное поле становится сильнее, увеличивая вращательный момент, создаваемый между магнитами ротора и обмотками статора. Ротор начинает быстрее вращаться из-за увеличения вращательного момента и увеличения частоты генерируемой электронным контролером скорости, которая увеличивается для поддержания более быстрого вращения. Электронный контролер скорости с начало контролирует напряжение питания, а частота регулируется как следствие.
Kv и максимальная скорость – что тормозит
Причиной, по которой частота вращения ограничена, является обратное электромагнитное поле. При работе мотора, частота вращения ротора замедляется из-за силы необходимой для генерации обратного электромагнитного поля. Чем больше скорость вращения (до 100% от возможностей электронного контролера скорости), тем сильнее обратное электромагнитное поле, и при максимальной скорости сила вращения уравновешена обратным электромагнитным полем. Kv определяется как отношение частоты вращения (об/мин) на напряжение (В). Причина, по которой Kv являются функцией от напряжения является то, что максимальный крутящий момент, а следовательно и скорость, фиксируются при работе без нагрузки при определенном напряжении питания.
Обратное электромагнитное поле и Kv
Наверное, вы помните, что в одной из предыдущих публикаций мы разбирали авторотацию. Во время авторотации сила набегающего потока воздуха заставляет лопасти вращаться. Вращающиеся лопасти обеспечивают стабильность и замедление скорости падения. Вы можете рассматривать напряжение питания, как набегающий поток воздуха при авторотации. Напряжение заставляет мотор вращаться и при взаимодействии постоянных магнитов ротора с электромагнитами возникает обратное электромагнитное поле. Точно так же, как частота вращения лопастей ограничена тормозящим влиянием создаваемой силы тяги, так частота вращения двигателя лимитирована обратным электромагнитным полем.
Собирая по кусочкам
Надеемся, что эта информация только, подтвердит правильность ваших знаний о бесколлекторных двигателях или вы узнали что-то новое. Работа бесколлекторных двигателей основана на вращающемся магнитном поле управляемом электронным контролером скорости. Это вращающееся электромагнитное поле притягивает или отталкивает постоянные магниты, закрепленные на роторе. Мотор приводится во вращение электрическим током, однако при вращении мотор генерирует электрический ток или обратное электромагнитное поле. Максимальная скорость вращения ротора, измеряемая в Kv, лимитирована напряжением и создаваемым обратным электромагнитным полем. И единственное, что можно испортить – это магнит.
Дополнительная информация:
